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舵机性能测试系统中的加载控制技术研究

发布时间:2020-05-17 03:58
【摘要】:舵机被广泛应用于火箭、飞机和船舶等航行器,是航行控制系统的执行机构,其性能的优劣直接影响航行器的航行控制。舵机性能测试系统用于测试舵机性能是否满足设计要求,其加载控制精度是影响测试结果的最主要因素。如何提高加载控制精度是舵机性能测试系统研究的核心。目前已有的研究中大都采用“控制-检测反馈-控制”的模式进行加载控制,这种模式在舵机运动对加载控制影响较低的场合精度尚可,然而在舵机运动对加载控制的影响较大的情况下,其控制精度难以满足测试要求。为进一步提高舵机性能测试系统中的加载控制精度,本课题在提出将电动式加载系统与舵机系统进行同步控制的基础上,对舵机正弦运动和阶跃运动下的加载控制技术进行研究。分析了舵机性能测试系统的结构与工作原理,总结了现有的加载系统控制模型,将其分为单输入单输出模型、双输入单输出力矩耦合模型以及双输入单输出位置耦合模型三种。从理论分析和数学模型推导两方面,阐述上述三种模型的相似性及其不合理性,并对双输入单输出的位置耦合模型进行了修正,使其更符合舵机性能测试系统的实际情况。在对系统进行动力学行为分析的基础上,定义了舵机性能测试系统中的主动负载与被动负载,并证明了舵机性能测试系统中加载系统的力矩传递函数发生了改变,这种变化是影响加载控制精度的因素之一。通过数学模型分析得出被动负载是影响加载控制精度的另一个因素。分析了加载系统转动惯量对被动负载的影响,提出了将舵机性能分段测试以提高加载控制精度。分析了加载系统延迟对加载控制精度的影响,提出将舵机系统与加载系统进行同步控制,通过理论推导得出在同步控制系统中采用具有预测功能的控制策略能够更好地抑制舵机运动引起的力矩变化,从而提高加载控制精度。在分析了舵机正弦运动下加载控制的特点的同时,指出控制指令计算与加载系统的响应滞后是影响加载控制精度的主要原因。针对该问题,提出了一种改进的广义预测控制(Improved generalized predictive control,IGPC)。该方法充分利用了已知的舵机位置输入,预估未来某时刻舵机运动对负载的影响,并通过相位系数q调整期望值,将未来时刻的理想负载力矩作为当前时刻的期望值,用于抵消响应滞后带来的影响。分析了IGPC的鲁棒性、稳定性以及各参数对控制性能的影响。分析了舵机阶跃运动过程中的加载状态变化过程,得出当加载状态从临界加载向其它加载状态转化时,会产生大幅波动或冲击。通过理论分析寻找到一条临界加载状态最少的加载状态转换路线。针对舵机阶跃运动下的加载控制具有高频、快速、短时间等特点,导致以往的控制策略失效的问题,提出了一种指令优化的开环同步程序控制。该方法中电流和力矩均采用开环控制,以辨识的虚拟系统代替实际系统进行控制指令离线反复优化,以实现最优控制的目的。在舵机阶跃运动下采用指令离线优化的开环同步程序控制能够有效地抑制加载过程中负载力矩中的冲击和大幅波动。建立了舵机性能测试系统的仿真模型,对舵机正弦运动下的IGPC、GPC、VSC、FAPID、RPID以及PID策略进行了仿真对比。搭建了同步控制的舵机性能测试系统,并以此作为试验平台,对舵机正弦运动下的IGPC进行了试验验证并将其与VSC进行了实验对比。同时对舵机阶跃运动下的开环同步程序控制进行了实验验证。
【图文】:

弹簧板,加载系统


试系统中加载方式研究现状中加载方式的不同,加载系统可分为机械式动式加载系统三种[10]。统非常稳定,且技术成熟,诸如悬臂梁式、机生产厂家仍有应用。以弹簧板式加载系统机、扭矩传感器与弹簧板依次相连,弹簧板生力矩并通过力矩传感器带动弹簧板发生扭载与其偏转角度成正比。这种加载系统可用态特性。在有限的转角范围内,可以通过选比例的梯度加载测试。统的优点在于结构简单、成本低并且加载控等影响,机械式加载系统的自动化控制程度、或梯度、或某设定曲线的单一方式的加载

原理图,电液式,加载系统,原理图


被测液压舵机图 1-2 电液式加载系统原理图Fig.1-2 Schematic diagram of electro-hydraulic loading纪 70 年代初开始,以日本学者池谷光荣为代表电液式加载测试实验台[12]。由于其优良的性能,电载测试系统的主流,世界各国均先后研制出了多种 世纪 70 年代末,以各大高校与航空航天院所为代究方面取得了较大成果。经过 40 多年的发展,电大、加载范围宽等优点[13],被广泛应用到各类工程系统本身惯量大,响应速度不足等原因,,很难抑制被迫运动而产生的力矩干扰。时至今日,仍有学者扰力矩抑制方法的研究,但受硬件条件限制,成果具有机械结构复杂、辅助设施多、易泄露、系统维机构摩擦力较大、不适合小负载工作等缺点[14],代的趋势[15,16]。加载系统的工作原理与电液式加载系统相似,只是
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP273

【参考文献】

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本文编号:2667892

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